축삭돌기

1. 개요

축삭돌기는 신경계의 주요 전달선으로, 신경 세포체에서 뻗어 나와 다른 뉴런이나 표적 세포로 신호를 전달하는 역할을 한다. 축삭돌기는 말초 신경계에서는 신경을, 중추 신경계에서는 신경로를 형성하며, 길이는 수 마이크로미터에서 수십 cm까지 다양하다. 축삭돌기는 수초의 유무, 직경, 전도 속도 등에 따라 분류되며, 손상 시 왈러 변성과 같은 병변을 유발할 수 있다.

2. 해부학적 구조

축삭돌기는 신경계의 주요 전달선으로, 다발을 이루어 말초 신경계에서는 신경을 형성하고, 중추 신경계에서는 신경로를 형성한다. 피질 뉴런에서 나온 수초가 있는 축삭돌기는 뇌의 백질을 구성하며, 신경 세포체가 포함된 대뇌 피질의 회백질과 대조적으로 흰색 외관을 띈다. 소뇌에서도 유사한 배열을 보인다. 수초가 있는 축삭돌기 다발은 중추 신경계의 신경로를 구성하며, 뇌의 정중선을 가로질러 반대쪽 영역을 연결하는 곳을 교련 섬유라고 한다. 이 중 가장 큰 것은 두 개의 대뇌 반구를 연결하는 뇌량이며, 약 2천만 개의 축삭돌기를 가지고 있다.

2.1. 기본 구조

일반적인 축삭돌기의 지름은 1μm 정도이지만, 길이는 수십 cm에 이르는 것도 있다. 예를 들어, 인체에서 가장 긴 축삭돌기를 가진 신경세포인 좌골신경은 척추의 끝에서 시작하여 양 발의 엄지발가락까지 이어지며, 좌골신경을 구성하는 신경세포의 축삭돌기는 1m 이상의 길이로 자랄 수 있다.

대부분의 개별 축삭돌기는 현미경적 직경(일반적으로 약 1μm)을 가진다. 가장 큰 포유류의 축삭돌기는 직경이 최대 20μm에 달할 수 있다. 신호를 매우 빠르게 전달하도록 특화된 오징어 거대 축삭은 직경이 거의 1밀리미터로, 작은 연필심 크기이다. 축삭돌기의 종말 가지(축삭돌기 끝에 있는 분기 구조)는 신경 섬유마다 다를 수 있다. 정교한 분기를 통해 뇌의 단일 영역 내에서 다수의 표적 뉴런에 메시지를 동시에 전달할 수 있다.

2.2. 축삭 영역

축삭 영역은 축삭 언덕, 초기 분절, 나머지 축삭, 축삭 종말가지 및 축삭 종말로 구성된다. 니슬 소체는 신경 단백질을 생성하는 역할을 하므로 축삭 영역에는 존재하지 않는다.

신경계에는 수초가 있는 축삭돌기와 수초가 없는 축삭돌기, 두 가지 유형의 축삭돌기가 있다. 말초 신경계에서 슈반 세포는 수초가 있는 축삭돌기의 수초를 형성하고, 희소돌기아교세포는 중추 신경계에서 절연 수초를 형성한다. 수초화는 도약 전도라고 하는 특별히 빠른 전기적 임펄스 전파 모드를 가능하게 한다. 피질 뉴런에서 나온 수초가 있는 축삭돌기는 뇌의 백질을 구성한다.

축삭의 성장과 폐기물 제거에 필요한 단백질은 축삭 수송을 통해 이동하며, 미세 소관과 신경 섬유로 알려진 IV형 중간 섬유가 이러한 수송을 위한 틀을 제공한다. 축삭 수송은 세포체에서 축삭을 따라 밖으로 나가는 전진성 수송과, 축삭 종말에서 세포체로 들어오는 역행성 수송으로 나뉜다. 전진성 수송은 미토콘드리아와 막 단백질을 축삭 종말로 운반하고, 역행성 수송은 세포 폐기물을 세포체로 운반한다. 나가는 경로는 키네신이, 들어오는 경로는 다이네인이 담당한다.

2.2.1. 축삭 언덕 (Axon hillock)

축삭 언덕은 신경 세포의 세포체에서 뻗어나와 축삭이 되는 영역으로, 초기 분절에 앞선다. 신경 세포에서 합산된 활동 전위는 축삭 언덕으로 전달되어 초기 분절에서 활동 전위를 생성한다.

2.2.2. 축삭 초기 분절 (Axonal initial segment, AIS)

축삭 초기 분절(AIS)은 축삭의 구조적, 기능적으로 분리된 미세 구획이다. 초기 분절의 기능 중 하나는 축삭의 주요 부분을 뉴런의 나머지 부분과 분리하는 것이고, 다른 하나는 활동 전위의 시작을 돕는 것이다. 이 두 가지 기능은 뉴런의 세포 극성을 유지하는데, 뉴런의 수상돌기(그리고 경우에 따라 세포체)는 기저 부위에서 입력 신호를 받고, 정점 부위에서 뉴런의 축삭은 출력 신호를 제공한다.

축삭 초기 분절은 수초가 없고, 특수한 단백질 복합체를 포함한다. 길이는 약 20~60μm이며, 활동 전위가 시작되는 장소이다. 축삭에서의 위치와 AIS의 길이는 모두 변화할 수 있으며, 뉴런 출력을 미세 조정할 수 있는 가소성을 보인다. AIS가 길수록 흥분성이 더 크다. 또한 AIS는 분포를 변경하고 신경 회로의 활동을 일정한 수준으로 유지하는 능력에서도 가소성이 관찰된다.

AIS는 신경 자극의 빠른 전도에 매우 특화되어 있다. 이는 활동 전위가 시작되는 초기 분절에 전압 개폐 나트륨 통로가 고도로 집중되어 있기 때문이다. 이온 통로에는 세포골격에 고정하는 다수의 세포 부착 분자와 스캐폴드 단백질이 동반된다. 앵커린-G와의 상호 작용이 중요한데, 이는 AIS의 주요 조직자이기 때문이다.

2.2.3. 축삭 수송 (Axonal transport)

축삭액은 세포 내의 세포질에 해당한다. 미세 소관은 축삭 언덕에서 축삭액 내에 형성된다. 미세 소관은 축삭의 길이를 따라 겹쳐진 부분으로 배열되며, 모두 같은 방향(축삭 종말 방향)을 가리킨다. 이는 미세 소관의 양성 말단으로 관찰된다. 이 겹쳐진 배열은 세포체로부터 다양한 물질을 수송하는 경로를 제공한다. 축삭액에 대한 연구에서는 세포 골격 필라멘트를 따라 다양한 크기의 수많은 소포가 이동하는 것이 관찰되었다. 미세 소관과 신경 잔사는 축삭과 종말, 그리고 세포체 사이에서 양방향으로 이동한다.

세포체에서 축삭을 따라 밖으로 나가는 전진성 수송은 성장에 필요한 미토콘드리아와 막 단백질을 축삭 종말로 운반한다. 안으로 들어오는 역행성 수송은 세포 폐기물을 축삭 종말에서 세포체로 운반한다. 나가는 경로와 들어오는 경로는 서로 다른 운동 단백질을 사용한다. 나가는 수송은 키네신이, 들어오는 반환 수송은 다이네인이 담당한다. 다이네인은 음성 말단 방향이다. 키네신과 다이네인 운동 단백질에는 다양한 형태가 있으며, 각각 다른 화물을 운반하는 것으로 추정된다. 축삭 내 수송에 대한 연구는 키네신의 명명으로 이어졌다.

2.3. 수초화 (Myelination)

신경계에는 수초가 있는 축삭돌기와 수초가 없는 축삭돌기 두 가지 유형이 있다. 수초는 지방 절연 물질 층으로, 신경교 세포의 일종인 슈반 세포와 희소돌기아교세포에 의해 형성된다. 말초 신경계에서 슈반 세포는 축삭돌기의 수초를 형성하며, 중추 신경계에서는 희소돌기아교세포가 절연 수초를 형성한다. 수초화는 도약 전도라고 하는 특별히 빠른 전기적 임펄스 전파를 가능하게 한다.

피질 뉴런에서 나온 수초가 있는 축삭돌기는 뇌의 백질을 구성하는 신경 조직의 대부분을 형성한다. 수초는 신경 세포체가 포함된 대뇌 피질의 회백질과 대조적으로 조직에 흰색 외관을 부여한다. 소뇌에서도 유사한 배열을 보인다. 수초가 있는 축삭돌기 다발은 중추 신경계의 신경로를 구성하며, 반대쪽 영역을 연결하기 위해 뇌의 정중선을 가로지르는 곳을 교련 섬유라고 한다. 이 중 가장 큰 것은 두 개의 대뇌 반구를 연결하는 뇌량이며, 약 2천만 개의 축삭돌기를 가지고 있다.

말초 신경계에서 축삭은 신경교세포인 슈반 세포에 의해 수초화된다. 중추 신경계에서 수초는 다른 유형의 신경교세포인 희소돌기아교세포에 의해 제공된다. 슈반 세포는 단일 축삭을 수초화하는 반면, 희소돌기아교세포는 최대 50개의 축삭을 수초화할 수 있다. 수초의 구성은 두 유형에서 다르다. 중추 신경계에서 주요 수초 단백질은 단백질 지질 단백질이고, 말초 신경계에서는 수초 기본 단백질이다.

2.3.1. 랑비에 결절 (Nodes of Ranvier)

수초가 있는 축삭돌기에서 수초는 절연 역할을 하며, 수초의 세그먼트 사이에는 주기적으로 랑비에 결절이라고 불리는 짧은 비수초화된 부분이 나타난다. 랑비에 결절에서는 축삭돌기의 직경이 감소한다.

랑비에 결절은 활동 전위가 생성될 수 있는 영역이다. 도약 전도에서 각 랑비에 결절에서 생성된 전류는 감쇠가 거의 없이 다음 결절로 전도되며, 여기에서 다시 활동 전위를 생성할 수 있을 만큼 강하게 유지된다. 따라서 수초화된 축삭돌기에서 활동 전위는 효과적으로 결절에서 결절로 "점프"하여 그 사이의 수초화된 부분을 건너뛰어, 가장 빠른 비수초화된 축삭돌기가 유지할 수 있는 속도보다 훨씬 빠른 전파 속도를 얻는다.

2.4. 축삭 종말 (Axon terminals)

축삭은 텔로덴드리아(그리스어로 '나무의 끝'이라는 뜻)라고 불리는 많은 가지로 나뉜다. 각 텔로덴드론의 끝에는 축삭 종말(종말 단추, 시냅스 단추)이 있다. 축삭 종말은 시냅스 소포를 포함하며, 시냅스에서 방출될 신경 전달 물질을 저장하여 다른 뉴런과 연결된다. 때때로 뉴런의 축삭은 같은 뉴런의 가지돌기에 시냅스하여 자가 시냅스를 형성하기도 한다.

축삭이 뻗어 있는 길이를 따라 나타나는 시냅스 접합부는 경유 단추("지나가는 단추")라고 불리며, 하나의 축삭에 수백 개 또는 수천 개가 존재할 수 있다.

2.4.1. 축삭 팽대 (Axonal varicosities)

정상적으로 발달한 뇌의 일부 축삭의 축을 따라 시냅스 이전 종말 단추가 위치하며, 이는 축삭 팽대라고도 알려져 있다. 축삭 팽대는 신경 전달 물질의 방출에 관여하는 해마 영역에서 발견되었다. 그러나 축삭 팽대는 행동 전위의 전도를 방해하는 신경 퇴행성 질환이나 외상성 뇌 손상에서도 나타난다. 축삭 손상은 일반적으로 수송을 방해하는 축삭 세포 골격에 발생한다. 그 결과 아밀로이드 베타 전구체 단백질과 같은 단백질 축적이 부풀어 오르면서 축삭을 따라 여러 개의 팽대가 발생할 수 있다.

3. 활동 전위 (Action potentials)

대부분의 축삭돌기는 세포체에서 시작하여 축삭돌기를 따라 빠르게 이동하는 개별적인 전기화학적 임펄스인 활동 전위 형태로 신호를 전달하며, 시냅스 접촉을 하는 지점에서 끝난다.

축삭돌기에서 활동 전위의 전파에 대한 세포 외 기록은 자유롭게 움직이는 동물에서 입증되었다. 장소 세포와 같이 자유롭게 움직이는 동물에서 세포 활동을 연구하기 위해 세포 외 체성 활동 전위가 사용되는 동안, 백색질과 회백질 모두에서 축삭 활동을 기록할 수도 있다. 축삭 활동 전위 전파에 대한 세포 외 기록은 체성 활동 전위와 다음 세 가지 면에서 구별된다.

# 신호는 피라미드 세포 (~500μs) 또는 사이신경세포 (~250μs)보다 짧은 피크-트러프 지속 시간(~150μs)을 갖는다.
# 전압 변화는 3상이다.
# 테트로드에서 기록된 활동은 4개의 기록 와이어 중 하나에서만 보인다.

자유롭게 움직이는 쥐의 기록에서 축삭돌기 신호는 해마 회색질뿐만 아니라 알부스(alvus)와 뇌량과 같은 백색질 트랙에서 분리되었다.

생체 내 활동 전위의 생성은 순차적이며, 이러한 순차적 스파이크는 뉴런의 디지털 코드를 구성한다.

3.1. 전부 아니면 전무 법칙 (All-or-none principle)

축삭돌기가 생성하는 모든 활동 전위는 본질적으로 동일한 크기와 모양을 가진다. 이러한 전부 아니면 전무 특성으로 인해 활동 전위는 크기 감소 없이 긴 축삭돌기의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 전송될 수 있다. 그러나 가변 진폭의 등급별 전기화학적 신호를 전달하는 짧은 축삭돌기를 가진 일부 유형의 뉴런도 있다.

3.2. 시냅스 전달 (Synaptic transmission)

활동 전위가 시냅스 전 말단에 도달하면 시냅스 전달 과정이 활성화된다. 첫 번째 단계는 축삭돌기 막에서 칼슘 이온 채널이 빠르게 열려 칼슘 이온이 막을 가로질러 안으로 흐르도록 하는 것이다. 결과적으로 세포 내 칼슘 농도가 증가하면 신경 전달 물질 화학 물질로 채워진 시냅스 소포가 축삭돌기 막과 융합되어 내용물을 세포 외 공간으로 비울 수 있다. 신경 전달 물질은 엑소사이토시스를 통해 시냅스 전 신경에서 방출된다.

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그런 다음 신경 전달 물질 화학 물질은 표적 세포의 막에 위치한 수용체로 확산된다. 신경 전달 물질은 이러한 수용체에 결합하여 활성화한다. 활성화된 수용체의 유형에 따라 표적 세포에 미치는 영향은 표적 세포를 흥분시키거나 억제하거나 신진 대사를 어느 정도 변경할 수 있다. 이 일련의 사건 전체는 종종 1,000분의 1초 이내에 발생한다. 그 후, 시냅스 전 말단 내부에서 새로운 소포 세트가 다음 활동 전위가 도착하면 방출될 준비가 되어 막 옆으로 이동한다. 활동 전위는 뉴런 규모에서 시냅스 메시지의 통합의 마지막 전기적 단계이다.

3.3. 축삭돌기에서의 활동 전위 전파

대부분의 축삭돌기는 활동 전위의 형태로 신호를 전달하는데, 이는 세포체에서 시작하여 축삭돌기가 표적 세포와 시냅스 접촉을 하는 지점에서 끝나는, 축삭을 따라 빠르게 이동하는 개별적인 전기화학적 임펄스이다. 활동 전위의 특징은 "전부 또는 전무"라는 것이다. 축삭돌기가 생성하는 모든 활동 전위는 본질적으로 동일한 크기와 모양을 가지며, 이러한 전부 또는 전무 특성으로 인해 크기가 감소하지 않고 긴 축삭돌기의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 전송될 수 있다. 그러나 가변 진폭의 등급별 전기화학적 신호를 전달하는 짧은 축삭돌기를 가진 일부 유형의 뉴런도 있다.

활동 전위를 축삭 말단으로 전파하는 것 외에도, 축삭돌기는 활동 전위를 증폭하여 순차적 활동 전위가 축삭 말단으로 안전하게 전파되도록 할 수 있다. 분자 메커니즘 측면에서, 축삭돌기의 전압 개폐 나트륨 채널은 낮은 역치 전위 및 짧은 불응기를 갖는다.

4. 발생과 성장 (Development and growth)

축삭돌기는 신경계의 주요 전달선으로, 다발을 이루어 말초 신경계에서는 신경을 형성하고, 중추 신경계 (CNS)에서는 신경로를 형성한다. 일부 축삭돌기는 1미터 이상 뻗을 수 있는 반면, 다른 축삭돌기는 1밀리미터 정도로 짧다. 인체에서 가장 긴 축삭돌기는 각 발의 엄지발가락에서 척수 기저부까지 뻗어 있는 좌골 신경의 축삭돌기이다.

축삭돌기의 직경은 다양하다. 대부분의 개별 축삭돌기는 직경이 현미경적(일반적으로 약 1 마이크로미터 (μm) 정도)이다. 가장 큰 포유류의 축삭돌기는 직경이 최대 20 μm에 달할 수 있다. 신호를 매우 빠르게 전달하도록 특화된 오징어 거대 축삭은 직경이 거의 1밀리미터로, 작은 연필심 크기이다.

축삭돌기의 종말 가지(축삭돌기 끝에 있는 분기 구조)의 수도 신경 섬유마다 다를 수 있다. 중추 신경계의 축삭돌기는 일반적으로 여러 개의 종말 가지를 나타내며, 많은 시냅스 종말점을 갖는다. 이에 비해 소뇌 과립 세포 축삭돌기는 두 개의 병렬 섬유가 뻗어 나오는 단일 T자형 분기 노드가 특징이다. 정교한 분기를 통해 뇌의 단일 영역 내에서 다수의 표적 뉴런에 메시지를 동시에 전달할 수 있다.

신경계에는 수초가 있는 축삭돌기와 수초가 없는 축삭돌기의 두 가지 유형이 있다. 수초는 지방 절연 물질의 층으로, 말초 신경계에서는 슈반 세포가, 중추 신경계에서는 희소돌기아교세포가 형성한다. 수초가 있는 신경 섬유를 따라 랑비에 결절이 균등하게 간격을 두고 발생하며, 이는 도약 전도라고 하는 빠른 전기적 임펄스 전파를 가능하게 한다.

피질 뉴런에서 나온 수초가 있는 축삭돌기는 뇌의 백질을 구성한다. 수초는 신경 세포체가 포함된 대뇌 피질의 회백질과 대조적으로 조직에 흰색 외관을 부여한다. 수초가 있는 축삭돌기 다발은 중추 신경계의 신경로를 구성하며, 반대쪽 영역을 연결하기 위해 뇌의 정중선을 가로지르는 곳을 교련 섬유라고 한다. 이 중 가장 큰 것은 두 개의 대뇌 반구를 연결하는 뇌량이며, 약 2천만 개의 축삭돌기를 가지고 있다.

4.1. 발생 (Development)

축삭돌기 발달은 신경계 발달의 6가지 주요 단계 중 하나이다. 초기에는 여러 개의 돌기가 생성되지만, 그 중 하나만 축삭돌기가 된다. 축삭돌기 지정은 축삭돌기 신장보다 먼저 일어나는 경향이 있다. 완전히 발달하지 않은 축삭돌기가 잘리면 극성이 변할 수 있으며, 다른 돌기가 잠재적으로 축삭돌기가 될 수 있다. 이러한 극성 변화는 축삭돌기가 다른 돌기보다 최소 10μm 짧게 잘릴 때만 발생한다. 절개가 이루어진 후, 가장 긴 돌기가 미래의 축삭돌기가 되고 원래의 축삭돌기를 포함한 다른 모든 돌기는 가지돌기로 변한다. 돌기에 외부 힘을 가하여 길어지게 하면 축삭돌기가 된다.

축삭돌기 발달은 세포 외 신호, 세포 내 신호, 세포골격 역학 사이의 복잡한 상호 작용을 통해 이루어진다.

성장하는 축삭은 축삭 끝에 있는 성장 원뿔을 통해 환경을 이동한다. 성장 원뿔은 라멜리포디움이라고 하는 넓은 시트와 같은 확장을 가지고 있으며, 여기에는 필로포디아라고 하는 돌출부가 포함되어 있다. 필로포디아는 전체 과정이 표면에 부착되어 주변 환경을 탐색하는 메커니즘이다. 액틴은 이 시스템의 이동성에 중요한 역할을 한다. 세포 부착 분자(CAM)의 수준이 높은 환경은 축삭 성장에 이상적인 환경을 조성한다. 이것은 축삭이 따라 성장할 수 있는 "끈적한" 표면을 제공하는 것으로 보인다. 신경계에 특정한 CAM의 예로는 N-CAM, TAG-1 축삭 당단백질, MAG가 있으며, 이들은 모두 면역글로불린 슈퍼패밀리에 속한다. 세포 외 기질-부착 분자라고 하는 또 다른 분자 집합도 축삭이 따라 성장할 수 있는 끈적한 기질을 제공한다. 이러한 분자의 예로는 라미닌, 피브로넥틴, 테나신, 펄레칸 등이 있다. 이들 중 일부는 세포에 표면 결합되어 단거리 유인체 또는 반발체로 작용한다. 다른 것들은 확산성 리간드이므로 장거리 효과를 가질 수 있다.

가이드포스트 세포라고 하는 세포는 신경 축삭의 유도를 돕는다. 축삭 유도를 돕는 이 세포들은 전형적으로 다른 뉴런이며, 때로는 미성숙하다. 축삭이 표적과의 연결부에서 성장을 완료하면, 필요한 전도 속도에 따라 축삭의 직경이 최대 5배까지 증가할 수 있다.

뉴런의 축삭이 손상된 경우, 세포체(뉴런의 세포체)가 손상되지 않는 한, 축삭이 재생되어 가이드포스트 세포의 도움을 받아 뉴런과의 시냅스 연결을 다시 만들 수 있다. 이것은 신경 재생이라고도 한다.

Nogo-A는 중추 신경계 수초 막(축삭에서 발견됨)에 존재하는 일종의 신경돌기 성장 억제 성분이다. 이것은 성체 포유류 중추 신경계에서 축삭 재생을 제한하는 데 중요한 역할을 한다. 최근 연구에서 Nogo-A를 차단하고 중화하면 장거리 축삭 재생을 유도하여 쥐와 생쥐 척수에서 기능적 회복을 향상시키는 것이 가능하다. 이것은 아직 인간에게 적용되지 않았다. 또한 최근 연구에서는 대식세포가 Dectin-1 수용체에 의해 활성화된 특정 염증 경로를 통해 활성화되어 축삭 회복을 촉진할 수 있지만, 또한 뉴런에서 신경 독성을 유발한다는 사실을 발견했다.

4.1.1. 세포 외 신호 (Extracellular signaling)

신경세포 주변의 세포외 기질을 통해 전파되는 세포외 신호는 축삭 발달에 중요한 역할을 한다. 이러한 신호 분자에는 단백질, 신경영양 인자, 세포외 기질 및 부착 분자가 포함된다.

네트린(UNC-6)은 분비되는 단백질로 축삭 형성에 관여한다. UNC-5 네트린 수용체가 돌연변이되면 여러 뉴라이트가 신경세포 밖으로 불규칙하게 돌출되어 결국 단일 축삭이 앞쪽으로 뻗어나간다.

신경 성장 인자(NGF), 뇌 유래 신경 영양 인자(BDNF) 및 신경영양인자-3(NTF3) 역시 축삭 발달에 관여하며 Trk 수용체에 결합한다.

뉴라이트 끝 부분에서 TrkA의 활성화에 관여하는 강글리오사이드 전환 효소인 세포막 강글리오사이드 시알리다아제(PMGS)는 축삭의 연장에 필요하다. PMGS는 미래의 축삭이 될 뉴라이트의 끝 부분에 비대칭적으로 분포한다.

4.1.2. 세포 내 신호 (Intracellular signaling)

축삭 돌기 발달 과정에서 PI3K 활성은 축삭 말단에서 증가한다. PI3K 활성을 방해하면 축삭 발달이 억제된다. PI3K 활성화는 포스파티딜이노시톨 (3,4,5)-삼인산 (PtdIns) 생성을 유발하며, 이는 신경돌기의 현저한 신장을 일으켜 축삭으로 전환시킬 수 있다. 따라서 PtdIns를 탈인산화하는 포스파테이스 과발현은 분극화 실패로 이어진다.

4.1.3. 세포골격 역학 (Cytoskeletal dynamics)

액틴 필라멘트 함량이 가장 낮은 뉴런돌기가 축삭이 된다. PGMS 농도와 f-액틴 함량은 반비례 관계를 갖는다. PGMS가 뉴런돌기 말단에 풍부해지면 f-액틴 함량이 실질적으로 감소한다. 또한, 액틴 탈중합 약물과 독소 B(Rho 신호 전달을 비활성화함)에 노출되면 여러 개의 축삭이 형성된다. 결과적으로, 성장 원뿔에서 액틴 네트워크가 중단되면 해당 뉴런돌기가 축삭으로 발달하게 된다.

4.2. 성장 (Growth)

성장하는 축삭은 축삭 끝에 있는 성장 원뿔을 통해 환경을 이동한다. 성장 원뿔은 라멜리포디움이라고 하는 넓은 시트와 같은 확장을 가지고 있으며, 여기에는 필로포디아라고 하는 돌출부가 포함되어 있다. 필로포디아는 전체 과정이 표면에 부착되어 주변 환경을 탐색하는 메커니즘이다. 액틴은 이 시스템의 이동성에 중요한 역할을 한다. 세포 부착 분자(CAM)의 수준이 높은 환경은 축삭 성장에 이상적인 환경을 조성한다. 이것은 축삭이 따라 성장할 수 있는 "끈적한" 표면을 제공하는 것으로 보인다. 신경계에 특정한 CAM의 예로는 N-CAM, TAG-1 축삭 당단백질과 MAG가 있으며, 이들은 모두 면역글로불린 슈퍼패밀리에 속한다. 세포 외 기질-부착 분자라고 하는 또 다른 분자 집합도 축삭이 따라 성장할 수 있는 끈적한 기질을 제공한다. 이러한 분자의 예로는 라미닌, 피브로넥틴, 테나신, 펄레칸 등이 있다. 이들 중 일부는 세포에 표면 결합되어 단거리 유인체 또는 반발체로 작용한다. 다른 것들은 확산성 리간드이므로 장거리 효과를 가질 수 있다.

가이드포스트 세포라고 하는 세포는 신경 축삭의 유도를 돕는다. 축삭 유도를 돕는 이 세포들은 전형적으로 다른 뉴런이며, 때로는 미성숙하다. 축삭이 표적과의 연결부에서 성장을 완료하면, 필요한 전도 속도에 따라 축삭의 직경이 최대 5배까지 증가할 수 있다.

뉴런의 축삭이 손상된 경우, 세포체(뉴런의 세포체)가 손상되지 않는 한, 축삭이 재생되어 가이드포스트 세포의 도움을 받아 뉴런과의 시냅스 연결을 다시 만들 수 있다. 이것은 신경 재생이라고도 한다.

Nogo-A는 중추 신경계 수초 막(축삭에서 발견됨)에 존재하는 일종의 신경돌기 성장 억제 성분이다. 이것은 성체 포유류 중추 신경계에서 축삭 재생을 제한하는 데 중요한 역할을 한다. 최근 연구에서 Nogo-A를 차단하고 중화하면 장거리 축삭 재생을 유도하여 쥐와 생쥐 척수에서 기능적 회복을 향상시키는 것이 가능하다. 이것은 아직 인간에게 적용되지 않았다. 또한 최근 연구에서는 대식세포가 Dectin-1 수용체에 의해 활성화된 특정 염증 경로를 통해 활성화되어 축삭 회복을 촉진할 수 있지만, 또한 뉴런에서 신경 독성을 유발한다는 사실을 발견했다.

4.3. 길이 조절 (Length regulation)

운동 단백질이 축삭의 길이를 조절하는 데 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 연구자들은 이러한 관찰을 바탕으로 운동 단백질이 분자 수준에서 축삭 길이에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 설명하는 축삭 성장에 대한 명시적인 모델을 개발했다. 이 연구들은 운동 단백질이 세포체에서 성장 원뿔로, 그리고 그 반대로 신호 분자를 운반하며, 그 농도가 길이 의존적인 주파수로 시간에 따라 진동한다는 것을 시사한다.

5. 분류 (Classification)

인간 말초 신경계의 뉴런 축삭은 물리적 특징과 신호 전달 특성에 따라 분류할 수 있다. 조셉 얼랭어와 허버트 스펜서 개서는 축삭의 직경과 신경 전도 속도 사이의 관계를 확립하고, 여러 유형의 신경 섬유를 식별하여 1941년에 축삭의 첫 번째 분류를 제시했다.

축삭은 수초의 유무에 따라 [[유수 신경 섬유]](myelinated axon)와 [[무수 신경 섬유]](unmyelinated axon)로 나뉜다. 수초는 지방 절연 물질 층으로, 슈반 세포와 희소돌기아교세포라는 두 가지 유형의 신경교 세포에 의해 형성된다. 말초 신경계에서는 슈반 세포가, 중추 신경계에서는 희소돌기아교세포가 수초를 형성한다. 수초화는 도약 전도를 가능하게 하여 전기적 신호 전달 속도를 높인다.

말초 신경의 신경 섬유는 수초 유무, 직경, 전도 속도 등에 따라 분류된다. 유수 신경 섬유가 무수 신경 섬유보다 전도 속도가 빠르며, 같은 종류의 신경 섬유 간에서는 직경이 클수록 전도 속도가 빠르다. 이는 유수 신경 섬유의 도약 전도와 전기 긴장 전위의 확산 차이 때문이다.

일반적으로 골격근 운동, 고유 감각, 부위가 확실한 피부 감각은 전도 속도가 빠른 신경 섬유를 이용하고, 교감 신경 활동이나 둔통 등은 전도 속도가 느린 신경 섬유를 이용하여 전달된다.

5.1. 얼랭거-개서 분류 (Erlanger-Gasser classification)

조셉 얼랭어와 허버트 스펜서 개서는 신경 섬유를 수초 유무, 직경, 전도 속도 등에 따라 A, B, C 세 그룹으로 나누고, A 그룹은 다시 알파(α), 베타(β), 감마(γ), 델타(δ) 섬유로 세분화했다. Aα, Aβ, Aγ 신경 섬유는 각각 알파 운동 뉴런, 베타 운동 뉴런, 감마 운동 뉴런의 운동 섬유이다.

일반적으로 골격근 운동, 고유 감각, 부위가 확실한 피부 감각은 전도 속도가 빠른 신경 섬유를 이용하고, 교감 신경 활동이나 둔통 등은 전도 속도가 느린 신경 섬유를 이용하여 전달된다.

감각 신경(구심성 신경)에서는 다른 분류가 사용되기도 한다.

5.2. 로이드 분류 (Lloyd classification)

이후 다른 연구자들의 연구 결과에 따르면 Aa 섬유에는 두 개의 감각 섬유 그룹이 확인되었다. 이는 감각 섬유만 포함하는 시스템(로이드 분류)에 도입되었다(일부 섬유는 혼합 신경이며 운동 섬유이기도 했다). 이 시스템은 감각 그룹을 유형이라고 하며 로마 숫자를 사용한다. 유형 Ia, 유형 Ib, 유형 II, 유형 III, 유형 IV.

감각 신경(구심성 신경)에서는 다음 분류가 사용되기도 한다.

5.3. 운동 섬유 (Motor fibers)

하위 운동 신경은 알파(α) 운동 신경과 감마(γ) 운동 신경, 두 종류의 섬유를 가진다.

5.4. 감각 섬유 (Sensory fibers)

다양한 감각 수용체는 서로 다른 유형의 신경 섬유에 의해 지배된다. 고유 수용기는 Ia, Ib 및 II형 감각 섬유에 의해 지배되고, 기계 수용체는 II 및 III형 감각 섬유에 의해 지배되며, 통각 수용체 및 온도 수용체는 III 및 IV형 감각 섬유에 의해 지배된다.

5.5. 자율 신경 섬유 (Autonomic fibers)

자율 신경계는 신경절 이전 섬유와 신경절 이후 섬유 두 종류의 말초 섬유를 가진다.

6. 임상적 의의 (Clinical significance)

말초 신경계의 신경 손상은 그 심각도에 따라 신경 차단증, 축삭 절단증, 신경 절단증으로 나눌 수 있다. 뇌진탕은 미만성 축삭 손상의 가벼운 형태로 간주된다. 축삭 손상은 중심성 색소변성을 일으킬 수도 있다. 신경계의 축삭 기능 장애는 말초 및 중추 신경 모두에 영향을 미치는 많은 유전적, 후천적 신경 질환의 주요 원인 중 하나이다.

축삭이 으스러지면, 세포체에서 가장 멀리 떨어진 축삭 부분에서 축삭 변성이라는 활성 과정이 일어난다. 이 변성은 손상 후 빠르게 진행되며, 축삭의 일부는 막에서 밀봉되고 대식세포에 의해 분해된다. 이를 왈러 변성이라고 한다. 축삭의 사멸은 신경 퇴행성 질환에서도 발생할 수 있는데, 특히 축삭 수송이 손상되었을 때 발생하며, 이를 왈러 유사 변성이라고 한다. 연구에 따르면 이 변성은 축삭 단백질인 NMNAT2가 축삭 전체에 도달하지 못해 발생한다고 한다.

축삭의 탈수초화는 다발성 경화증과 같은 질병에서 나타나는 여러 신경학적 증상을 유발한다.

이상 수초 형성은 수초의 비정상적인 형성이다. 이는 여러 백질 이영양증과 조현병과 관련이 있다.

심각한 외상성 뇌 손상은 신경 경로에 광범위한 병변을 일으켜 미만성 축삭 손상이라는 상태에서 축삭을 손상시킬 수 있다. 이는 지속적 식물 상태로 이어질 수 있다. 쥐를 대상으로 한 연구에서는 단 한 번의 가벼운 외상성 뇌 손상으로 인한 축삭 손상이 반복적인 가벼운 외상성 뇌 손상 후 추가 손상에 대한 민감성을 높일 수 있다는 사실이 밝혀졌다.

신경 유도 도관은 축삭 성장을 유도하여 신경 재생을 가능하게 하는 인공적인 방법이며, 다양한 종류의 신경 손상 치료에 사용된다.

7. 용어 (Terminology)

"신경 섬유"라는 용어는 일반적으로 축삭만을 지칭하는 데 사용된다.

8. 역사 (History)

오토 프리드리히 카를 다이터스(Otto Friedrich Karl Deiters)는 가지돌기와 구별하여 축삭을 발견한 것으로 알려져 있다. 루돌프 알베르트 폰 쾰리커(Rudolf Albert von Kölliker)와 로베르트 레마크(Robert Remak)는 축삭 초기 분절을 처음으로 확인하고 특징을 규명했다. 쾰리커는 1896년에 축삭이라는 이름을 붙였다. 루이앙투안 랑비에(Louis-Antoine Ranvier)는 축삭에서 발견되는 틈이나 마디를 처음으로 묘사했으며, 이 기여로 인해 이러한 축삭 특징은 현재 랑비에 결절이라고 불린다. 산티아고 라몬 이 카할(Santiago Ramón y Cajal)은 축삭이 뉴런의 출력 구성 요소이며, 그 기능을 설명한다고 제안했다.

조지프 얼랭어(Joseph Erlanger)와 허버트 스펜서 개서(Herbert Spencer Gasser)는 축삭 전도 속도, 미엘린화, 섬유 크기 등을 기반으로 말초 신경 섬유에 대한 분류 시스템을 개발했다. 그들은 1941년에 연구 결과를 발표하여 축삭의 첫 번째 분류를 제시했다. 이후 다른 연구자들의 연구 결과에 따르면 Aa 섬유에는 두 개의 감각 섬유 그룹이 확인되었다.

앨런 호지킨(Alan Hodgkin)과 앤드루 헉슬리(Andrew Huxley)는 오징어 거대 축삭(1939)을 사용했으며, 1952년까지 활동 전위의 이온 기반에 대한 완전한 정량적 설명을 얻어 호지킨-헉슬리 모델을 공식화했다. 호지킨과 헉슬리는 이 연구로 1963년 노벨 생리학·의학상을 공동으로 수상했다.

9. 기타 동물 (Other animals)

모델 생물로 자주 사용되는 롱핀 근해 오징어는 가장 긴 축삭을 가진 것으로 알려져 있다. 대왕 오징어는 알려진 것 중 가장 큰 축삭을 가지고 있다. 그 크기는 지름이 0.5mm에서 1mm에 이르며 제트 추진 시스템 제어에 사용된다. 가장 빠른 전도 속도인 210m/s는 일부 원양 보리새우의 피복된 축삭에서 발견되며, 일반적인 범위는 초당 90m에서 200m 사이이다.